陳文強，趙宇飛，趙發(fā)輝，曾祥喜，王玉杰，林興超

（1.中國水利水電科學研究院巖土工程研究所，北京 100048；2.云南省牛欄江－滇池補水工程建設指揮部，云南 昆明 650051；3.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014）

巖體是由結構面與其切割的巖塊組成的賦存于一定地質環(huán)境中的地質體，其工程力學特性主要由結構面和巖塊的力學特性共同決定［1～2］。在巖土工程中，巖體抗剪強度參數(shù)的確定是制約工程設計與施工的關鍵。實際工程中，由現(xiàn)場大尺寸巖體力學試驗得到的巖體強度參數(shù)可以較好地反映巖體工程力學特性，但限于試驗中巖體尺寸、時間以及試驗經費等方面原因，實際工程中所進行的現(xiàn)場以及室內力學試驗數(shù)量都非常有限，因此僅靠這些有限的試驗數(shù)據很難得到能夠真實反映巖體工程特性的設計參數(shù)。

在實際工程中，巖體強度參數(shù)的確定通常在一定數(shù)量的室內外試驗基礎上，結合地質勘察以及工程經驗來確定巖體抗剪強度參數(shù)。隨著巖體質量評價的現(xiàn)場測試手段的不斷發(fā)展，以及在工程中廣泛應用，利用這些測試方法對巖體進行檢測得到的成果，可以為工程中巖體強度參數(shù)的確定提供重要的參考與借鑒。施建新［3］通過現(xiàn)場巖體聲波波速測試快速評判了壩基巖體質量。王法剛［4］結合現(xiàn)場鉆孔聲波測試和鉆孔彈性模量測試，建立了基巖體變形模量值與其聲波波速值的相關關系，為快速計算巖體彈性模量提供了依據。但在實際工程中，鮮有巖體測試設備能直接在工程現(xiàn)場快捷地得到巖體抗剪強度參數(shù)。20世紀末，美國愛荷華州立大學的Handy教授提出了巖體鉆孔剪切試驗方法，并研制了適用于軟—中等硬度巖體的巖石鉆孔剪切儀(Rock Borehole Shear Test，簡稱RBST)，已在美國、日本等國家得到了初步應用［5～6］。我國在2006年修訂的《工程地質手冊》上也明確提到了土體鉆孔剪切儀，并指出:“其最大的優(yōu)點是操作簡單，可重復性較高，鉆孔剪切試驗目前在我國還尚未見有實用報道”［7］。因此，可以結合現(xiàn)場巖體鉆孔剪切試驗、巖體鉆孔聲波測試以及巖體鉆孔彈性模量測試，對測試成果進行相關性分析，可以為實際工程中的巖體工程力學參數(shù)的確定提供重要的參考與借鑒。

本文結合向家壩水電站壩基巖體質量評價工作，利用引進的巖體鉆孔剪切試驗設備，與目前工程中常見的巖體鉆孔聲波測試以及巖體鉆孔彈性模量測試手段相結合，開展壩基巖體工程質量評價，并對同一鉆孔中相同孔深處的三種測試成果進行相關性研究，得到三者相關關系的經驗公式。最后利用已建立的經驗公式估算巖體的力學特性參數(shù)，分別與《水利水電工程地質勘察規(guī)范》和向家壩相關巖體力學參數(shù)建議值進行比較分析，為巖體工程中設計、施工與運行階段中的力學強度參數(shù)的確定提供重要的參考與借鑒。

1 三種現(xiàn)場測試方法簡介

1.1 鉆孔剪切試驗

巖石鉆孔剪切儀和其核心器件——剪切頭的結構如圖1所示。與室內和現(xiàn)場的直剪試驗原理類似，巖石鉆孔剪切儀是在鉆孔內某一深度將兩塊對稱的帶有齒狀突起的剪切板壓入鉆孔孔壁內，使剪切板兩平行的齒狀凸起間形成一薄層巖片，然后通過提拉與剪切板連接的鋼桿，實現(xiàn)嵌入齒狀凸起的巖片與孔周圍巖體的直接剪切破壞。該試驗可以看作沿著這一薄層巖片(圖1b中虛線部分)的強制直剪破壞試驗。在巖石鉆孔剪切試驗中，如嵌于齒狀凸起間巖片的面積為A，作用于巖片上的法向力和連桿的提拉力分別為P和T，則作用在巖片上的正應力和剪應力分別為:

圖1 巖石鉆孔剪切儀結構示意圖Fig.1 Structural diagram of a rock bore shear test meter

巖石鉆孔剪切儀主要由剪切頭、法向力和剪切力(提拉力)的液壓控制裝置、提供應力的液壓千斤頂和連桿以及油管等附屬部分組成。

剪切頭是鉆孔剪切儀的核心部位，由2塊有平行齒狀凸起的弧形剪切板和可以帶動剪切板擴張和回縮的活塞組成。剪切板大小為2.5cm×2.0cm，其中沿鉆孔軸向長2.5cm。剪切板上的齒狀凸起呈“∧”型，高1mm，角度為60°。兩齒狀凸起沿鉆孔軸向平行，且相距2.2cm。這意味著兩齒狀凸起間可嵌入的巖片(或單片剪切面積)的面積為(2.2×2.0)cm2。

液壓千斤頂主要用于給連接剪切頭的連桿施加拉力，一般放置在孔口處。由于剪切頭被封裝在帶孔的框架內，通過孔口提拉與這一框架相連的連桿使框架底部的基座向上推壓剪切頭從而施加剪應力。

1.2 鉆孔聲波測試

鉆孔聲波測試技術主要是根據巖體介質的聲學性質所開展的現(xiàn)場測試手段，不同巖體的物理特性、巖性、結構特征、力學性能等都對其聲學性質有密切關系。因此，利用可檢測到的聲學信息(包括聲速、振幅、頻率等)并加以處理與解釋，可以判斷巖體的物理力學特性以及構造(或缺陷)特征，從而進行巖體質量分級、工程應力分析及穩(wěn)定性評價等［8］。

利用波速對巖體進行質量綜合評價的優(yōu)點主要有以下幾個方面［8］:(1)試驗所得的巖體聲波速度指標，可以反映巖石性質、巖體的結構特點以及巖體風化程度等性狀，能夠較好地反應巖體綜合特性；(2)巖體的波速與其他巖體力學指標有較好的相關性；(3)巖體波速測試簡便快速，便于工程應用。

由上所述，可知實際工程中巖石聲波測試應用廣泛。許多國家、行業(yè)標準中相關巖體質量分類方面的內容，都將巖石聲波波速作為一個重要的巖體質量評價指標［9～11］。

1.3 鉆孔彈性模量測試

鉆孔彈性模量測試是一種在巖體深部或地下水位以下巖體進行分段量測深部巖體變形特性及彈性參數(shù)的一種擾動很小的原位測試方法。這種方法的基本原理是:通過可移動的探頭，對鉆孔孔壁施加徑向壓力，測出巖體在壓力作用下產生的變形量，根據巖體壓力與變形關系曲線求出巖體的彈性模量、變形模量及各向異性參數(shù)等，主要用于巖體分類評價，或與工程物探檢測設備一起檢測建筑物基礎灌漿效果等。鉆孔彈性模量測試驗儀器主要由鉆孔壓力儀、鉆孔膨脹儀、鉆孔彈性模量計等組成。

2 三種測試手段的相關分析

2.1 向家壩水電站壩基巖體現(xiàn)場測試成果

向家壩水電站廠房壩段基巖現(xiàn)場試驗主要布置在廠房一壩段的JC2-5軟弱夾層影響帶內的較軟巖體中。利用巖石鉆孔剪切儀對廠房壩段和泄水壩段的泥質粉砂巖、砂巖和黑色泥巖共進行了17個孔近50余組的鉆孔剪切試驗，其中黑色條帶狀泥質粉砂巖中進行了3組鉆孔剪切試驗，黑色泥巖進行了43組鉆孔剪切試驗，試驗數(shù)據散點圖見圖2。

圖2 向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗數(shù)據散點圖Fig.2 Results of the bore hole shear tests in the Xiangjiaba dam site

在向家壩水電站的前期勘探以及施工期中，進行了大量的鉆孔聲波測試。表1中為向家壩水電站壩基不同類別巖體中相同鉆孔同一深度處鉆孔剪切試驗得到f值與現(xiàn)場聲波測試得到的聲波特征值［12］。

在向家壩水電站二期工程中，也進行了巖體鉆孔彈性模量測試，表2為測試得到的不同類別的巖體變形模量［13］。

2.2 鉆孔剪切測試與鉆孔聲波測試相關性分析

在向家壩水電站壩基巖體現(xiàn)場試驗中，由于鉆孔剪切試驗與聲波測試設備及工作條件的差異性，僅有11對鉆孔剪切試驗數(shù)據與鉆孔聲波測試數(shù)據是完全在同一巖體鉆孔深度上試驗得到的，試驗數(shù)據如表1所示。由于通過試驗得到的巖體抗剪強度參數(shù)中c離散型較大，因此僅對鉆孔剪切試驗所得的巖體抗剪強度參數(shù)f與巖體聲波波速Vp的相關關系進行了分析。

表1 向家壩水電站壩基RBST和聲波測試試驗數(shù)據Table 1 Results of RBST and wave velocity tests in the Xiangjiaba dam site

表2 向家壩水電站壩基巖體鉆孔變形模量試驗成果表Table 2 Results of bore hole deformation module tests in the Xiangjiaba dam site

考慮到鉆孔孔口位置處的巖體受擾動較大，試驗所得的數(shù)據代表性差，經過去除表1中試驗點擾動較大位置所得數(shù)據，繪制由鉆孔剪切試驗得到的巖體抗剪強度參數(shù)與巖體聲波波速的相關關系回歸曲線，如圖3所示。

圖3 f～Vp線性擬合圖Fig.3 Correlation between the shear strength parameter(f)and the wave velocity(Vp)

由圖3可見，鉆孔剪切試驗所得的巖體抗剪強度參數(shù)f與鉆孔聲波測試所得的VP具有明顯的線性相關關系，通過最小二乘法分析得到二者關系式見式(3)，并通過相關分析，得到巖體抗剪強度參數(shù)f與巖體聲波波速的擬合優(yōu)度系數(shù)為0.7977，兩者相關系數(shù)為0.8653:

式中:f——由巖體鉆孔剪切試驗得到的巖體內摩擦系數(shù)；

VP——由鉆孔聲波測試得到的巖體聲波縱波波速(km/s)。

2.3 鉆孔聲波測試與彈性模量測試相關性分析

在向家壩水電站壩基巖體工程特性研究中，在同一鉆孔深度進行聲波測試與鉆孔彈性模量測試得到的試驗資料共130組，將巖體聲波測試和鉆孔彈性模量測試結果按照“巖體聲波波速—巖體變形模量”以及“巖體聲波波速—巖體彈性模量”進行整理，其散點分布圖如圖4所示。

利用常用的線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及冪函數(shù)，對巖體變性模量、彈性模量與聲波波速的相關關系進行了擬合研究，通過對這些擬合函數(shù)的對比，選取擬合效果最好的函數(shù)對兩者相關關系進行描述。對巖體變形模量與單孔聲波波速進行擬合研究得到的擬合結果見表3，可見采用冪函數(shù)對兩組數(shù)據進行擬合可靠性較高。

圖4 巖體單孔聲波測試與彈性模量測試數(shù)據散點圖Fig.4 Relationship between the wave velocity and the result of borehole elastic module tests

表3 向家壩壩址巖體鉆孔剪切試驗數(shù)據與巖體波波速擬合結果表Table 3 Results of RBST and wave velocity tests in the Xiangjiaba dam site

為了保證擬合到的巖體鉆孔聲波分別與鉆孔變形模量和彈性模量試驗結果有較好的相關關系，采用90%的概率保證率對試驗數(shù)據中的粗差進行剔除，在剔除粗差后再進行擬合回歸分析，見圖5所示。

對于巖體變性模量E0與巖體聲波波速VP進行冪函數(shù)回歸得到的相關關系式如式(4)所示，其回歸擬合優(yōu)度為0.8055，兩者相關系數(shù)為0.8930。

式中:E0——由鉆孔彈性模量試驗得到的巖體變形模量(GPa)。

對于巖體彈性模量E與巖體聲波波速VP進行冪函數(shù)回歸得到的相關關系式如式(5)所示，其回歸擬合優(yōu)度為0.6976，兩者相關系數(shù)為0.7892。

式中:E——由鉆孔彈性模量試驗得到的巖體彈性模量(GPa)。

對比錦屏一級水電站中所進行的巖體鉆孔聲波與巖體鉆孔彈性模量測試結果的相關性分析結果［14］，本次試驗中得到的巖體鉆孔聲波與巖體鉆孔彈性模量測試結果是合理可信的，兩個工程中得到的關系式中參數(shù)較為相近，二者之間存在的差異主要是因為巖體特性不同導致的。

2.4 鉆孔剪切測試與彈性模量測試相關性分析

結合分析得到的巖體聲波波速與鉆孔剪切試驗得到的巖體摩擦系數(shù)的相關關系，可以得到向家壩水電站鉆孔巖石變形模量E0和彈性模量E與鉆孔剪切試驗得到的巖體摩擦系數(shù)f之間的相關關系:

圖5 巖體單孔聲波波速與巖體變形參數(shù)擬合回歸曲線Fig.5 Correlation between the wave velocity and the deformation modulus

2.5 討論

利用《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB50487－2008)中給出的不同類型壩基巖體的聲波特征值和向家壩巖體分類中的聲波特征值，通過式(3)～(5)，可以估算不同壩基巖體的抗剪強度參數(shù)f、巖體變形模量E0與巖體彈性模量E的取值范圍，見表4和表5。

表4 不同類別壩基巖體工程特性參數(shù)估算表(《水利水電工程地質勘察規(guī)范》)Table 4 Mechanical parameters of rock mass estimated with the values of wave velocity in the code for water resources and hydropower engineering geological investigation

分析表4和表5可知:

(1)巖體強度參數(shù)抗剪強度參數(shù)f估算值與規(guī)范建議值以及向家壩相關巖體建議值相差較多，這主要是在同一鉆孔中同一位置處進行的巖體剪切試驗與巖體聲波測試比較少，且都是利用了黑色泥巖中鉆孔進行的試驗，泥巖屬于軟巖，因此回歸得到的聲波與巖體抗剪強度參數(shù)值f的相關關系式適用范圍有局限性；

表5 不同類別壩基巖體工程特性參數(shù)估算表(向家壩試驗資料)Table 5 Mechanical parameters of rock mass estimated with the values of wave velocity in the Xiangjiaba dam site

(2)利用聲波與巖體變性模量相關關系估算的巖體變形模量，與規(guī)范中建議的巖體變性模量取值范圍比較接近，但是對于Ⅳ2類巖體來說，相差相對較大。另外，與向家壩水電站壩基巖體變形模量與彈性模量建議值相比，對于Ⅰ類巖體，變形模量與彈性模量皆較高，而對于Ⅲ2類以下巖體，變形模量與彈性模量皆較低，造成以上現(xiàn)象的原因可能是向家壩水電站壩基的巖體特性以及試驗數(shù)據較少導致的。

3 結論

(1)鉆孔剪切試驗方法可以在工程現(xiàn)場方便快捷地得到巖體抗剪強度參數(shù)，隨著工程應用的不斷反饋與完善，可以逐漸成為彌補室內外巖體試驗不足的一種重要手段。

(2)三種工程巖體現(xiàn)場測試方法得到的結果具有較好的相關性，通過更多的試驗數(shù)據以及更多的工程應用經驗積累，逐步對得到的巖體工程力學特性參數(shù)的相關關系式進行修正與完善，可以較好地利用簡單的現(xiàn)場測試方法對巖體工程質量進行快速而合理地評價。利用三者的相關關系，并結合部分實測數(shù)據，可以相互配合在水利水電工程中的巖體質量評價中使用，所得到的測試成果，將會為工程建設中巖體抗剪強度參數(shù)與變形特性參數(shù)的選取提供重要的參考。

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